Formas de energía

Uso y ahorro energético. Energías alternativas (solar, fotovoltáica, eólica, geotérmica). Molinos de viento

  • Enviado por: El remitente no desea revelar su nombre
  • Idioma: castellano
  • País: España España
  • 28 páginas

publicidad

FORMAS DE ENERGIA

-Energía química:

Es la energía almacenada dentro de los productos químicos. Es la energía que se puede desprender de los alimentos y combustibles. La energía de los alimentos la desprenden alteraciones químicas en nuestros cuerpos. Los combustibles, como el carbón, el petróleo y el gas, desprenden su energía cuando se queman: la energía química se transforma principalmente en calor.

-Energía térmica:

Cuanto más caliente está algo, más rápida se mueven las moléculas. Entonces, la energía térmica es en realidad el efecto de las moléculas en movimiento.

-Energía luminosa:

Es la energía transportada por ondas luminosas. Las plantas la necesitan para crecer y sin ella no habría vida en la tierra. La energía luminosa nos permite ver, ya que los objetos sólo son visibles porque reflejan la luz en nuestros ojos.

-Energía sonora:

Es la energía transportada por ondas sonoras. La energía sonora es en realidad el efecto de las moléculas en movimiento. Es el efecto de las moléculas vibrantes en nuestros tímpanos lo que nos permite oír.

-Energia eléctrica:

Es la energía transportada por una corriente eléctrica. Es una forma de energía especialmente útil porque se puede transformar fácilmente en otras formas de energía para satisfacer nuestras necesidades concretas.

-Energía mecánica:

Hay dos tipos de energía mecánica:

-La energía cinética. La energía cinéticas es la energía que tiene un cuerpo en movimiento.

-La energía potencial. A veces denominada energía almacenada. La energía se desprende despacio mientras va bajando, haciendo que gire el mecanismo del reloj. Esta clase de energía se llama energía potencial gravitatoria. Cualquier objeto que pueda caerse tiene energía potencial gravitatoria.

-Energía nuclear:

Es la energía almacenada dentro del núcleo, o centro del átomo mismo. Además de la enorme potencia destructora de la energía nuclear, se puede usar, naturalmente, en centrales eléctricas para producir electricidad, y es en realidad la fuente de la energía del Sol.

Energía del Sol

-El Sol es una enorme central de energía. Inunda la Tierra continuamente tanto de calor como de luz. Aproximadamente, el 99 % de la energía de la Tierra procede directamente del Sol. Las plantas verdes son seres vivos que no podrían existir sin el Sol. Usan la energía luminosa para crear alimentos (o energía química), que se almacena en sus tejidos. Las plantas usan esta energía para crecer y reproducirse.

Los animales no pueden obtener El petróleo y el gas natural son

energía directamente del sol. almacenes inestimables de energía

Dependen de las plantas que comen química que nuevamente debe su

en las que se almacene la energía existencia al Sol y a las plantas La

química. Por otra parte, algunos mayoría del petróleo bruto (y del gas) se

animales comen a otros animales que formó por la descomposición y

han comido plantas. Los animales compresión da los animales marinos cuya

usan esta energía para moverse, «cadena alimenticia» empieza con plantas

crecer y reproducirse. microscópicas llamadas plancton vegetal.

El Sol, por tanto, no sólo proporciona

Nosotros los humanos obtenemos la energía a todos los seres vivos, sino que

energía necesaria para e! movimiento, también ha sido responsable de las

el crecimiento y la reproducción, de masivas provisiones de energía química

los alimentos que comemos. que están bajo el suelo en la forma de

Comemos plantas, o animales que carbón, petróleo y gas natural. Hoy día,

han comido plantas. estas fuentes de energía son fundamentales

El carbón, y las masivas provisiones para nuestra moderna sociedad

de energía que contiene, existe sólo tecnológica. No sólo abastecen de

debido al Sol y a las plantas El combustible a nuestras industrias, centrales

carbón se formó por la eléctricas, sistemas de transporte, etc., sino

descomposición de la vegetación y que también proporcionan las materias

su compresión bajo el suelo durante primas para la fabricación de una gran

un período de tiempo muy largo. variedad de productos.

La energía térmica del Sol es El calor del Sol también causa las

fundamental para la germinación y corrientes de convección de la

el crecimiento de las plantas, así atmósfera. El aire caliente sube y el

como para mantener a todas las aire frío fluye y ocupa su sitio.

criaturas vivas calientes y Nosotros notamos este movimiento

cómodas. También controla el del aire como el silbido del viento.

tiempo atmosférico. El calor del Sol El viento tiene energía cinética,

hace que el agua se evapore y que se ha utilizado mucho tiempo

forme vapor de agua, que es para hacer funcionar barcos y

transportado por el viento, se condensa molinos de viento. Nosotros

y forma nubes. Una parte cae como estamos empezando a usar ahora

lluvia sobre la Tierra, para hacer esta energía para generar

crecer a los ríos y llenar los lagos. electricidad con generadores

El agua que queda retenida en los eólicos.

lagos de las montañas (o los

embalses construidos a propósito)

tienen energía potencial. Hoy día,

utilizamos esta energía para la

generación de electricidad.

El viento también produce olas en el agua. Transfiere energía al agua produciendo olas que contienen cantidades enormes de energía cinética Esta tiene un potencial enorme para la generación de electricidad en el futuro. Ya se utiliza equipo a pequeña escala.

Por tanto, el calor del Sol no solo Además de suministrar todas las

nos mantiene calientes, sino que formas de energía descritas, el Sol

también suministre la energía para (y la Luna) ejercen atracción

el ciclo del clima que es gravitatoria sobre la Tierra. La

fundamental para la producción gravedad es responsable de los

alimenticia. Además, estamos enormes movimientos de agua de el

usando cada vez más los efectos mar alrededor de la Tierra que

del tiempo atmosférico para denominamos mareas. Aquí hay

producir electricidad: la forma más otra enorme fuente de energía que

versátil de energía que tenemos está empezando a utilizarse para la

actualmente. generación de electricidad.

¿CÓMO USAMOS LA ENERGÍA?

-El Cuerpo humano.

Cuando comemos, introducimos y almacenamos energía química dentro de nuestros cuerpos. Usamos energía que para mantener nuestras funciones corporales (respiración, circulación de la sangre, etc.) y para realizar trabajo. El Trabajo se hace cada vez que ejercemos una fuerza sobre una distancia, y se calcula con:

Trabajo = Fuerza x distancia recorrida

-Uso de la energía en el hogar.

Aproximadamente, el 29 % de toda la energía que se usa se consume en el hogar. El calentamiento de los ambientes y del agua consume la mayoría de esta energía (83 %); el resto se usa para cocinar, para la iluminación y los electrodomésticos. Desafortunadamente, se desperdicia mucha energía.

-Ahorro de energía en el hogar:

La energía se desperdicia en los hogares de varias formas. Se puede derrochar debido a:

1.Malas costumbres. Dejar las puertas abiertas, y dejar las luces, televisores y radios encendidos cuando no hacen falta, derrocha energía.

2.Equipos mal diseñados. Los equipos y electrodomésticos antiguos derrochan energía. Los frigoríficos y las cocinas modernas, por ejemplo, usan materiales de aislamiento mucho mejores que los modelos antiguos, y los sistemas de calefacción modernos son mucho más eficaces y tienen controles mas adecuados.

3.Mal aislamiento. La energía térmica se escapa de nuestras casas principalmente por conducción y convección, y una gran proporción de energía que se derrocha en los hogares se debe al mal aislamiento.

-El coste del ahorro de energía en el hogar.

El doble cristal y los materiales de aislamiento cuestan dinero. No obstante, con lo que se ahorra en los recibos de calefacción, se puede equilibrar el coste de estos productos. Sin embargo, el periodo «de amortización» para los distintos productos varia de unos meses a muchos años. Para impedir las corrientes, se pagan los materiales y puedes empezar a ahorrar después de sólo seis meses. El aislamiento de depósitos de agua caliente dura un año; el aislamiento del desván, de 2 a 4 años: el aislamiento del hueco de la pared, de 3 a 5 años, y el doble acristalamiento, de 30 a 40 años.

-Uso de la energía en el transporte.

Aproximadamente el 25 % de la energía total que se usa en muchos países europeos se emplea para hacer circular los sistemas de transporte. Desafortunadamente, estos dependen casi totalmente del petróleo y usan aproximadamente el 59 % del volumen total de petróleo que se consume.

-Ahorro de energía en el transporte.

Si la tasa del crecimiento industrial actual continúa, se calcula que las provisiones de petróleo podrían empezar a agotarse dentro de los próximos 30-40 años. Por tanto, es esencial que reduzcamos el uso del petróleo en el sector del transporte. Esto se puede conseguir desarrollando un sistema más eficaz, que incluya el uso de vehículos que sean accionados por otras fuentes de energía aparte del petróleo.

-El sistema de transporte.

Hay dos clases básicas de vehículos: los que llevan su combustible consigo, y los que «captan» energía (energía eléctrica) sobre la marcha. La mayoría de los vehículos usan el motor de

Combustión interna y llevan su combustible (gasolina o gasóleo) consigo. Este tipo de vehículo es popular porque tiene muchas ventajas: 110 hay restricciones de acceso en la red normal de carreteras. Estos vehículos son cómodos de usar porque se pueden aparcar en la puerta de casa y salir con ellos en cualquier momento. Sin embargo, entre las desventajas están: el coste por lo que se refiere al uso de energía, la contaminación atmosférica, el ruido, los atascos, los costes del mantenimiento de carreteras y especialmente los heridos y las víctimas en los accidentes.

Entre los vehículos que captan su energía sobre la marcha están: los tranvías, los vehículos monorraíl, metros y trenes eléctricos. Los ferrocarriles son muy apropiados para la «electrificación» y se están haciendo grandes inversiones en este sentido. Los vehículos accionados eléctricamente tienen las ventajas de no contaminar, de funcionamiento silencioso y de ser más económicos. No obstante, hay pruebas para sugerir que el campo magnético producido por la corriente eléctrica de los cables aéreos puede ser perjudicial para las personas y los animales. La desventaja principal de los vehículos eléctricos que circulan por carretera actualmente es su escasa autonomía (la distancia) que pueden recorrer usando su energía almacenada.

-Mejora de la eficacia.

La energía no se puede crear ni se puede destruir, pero cuando se usa se transforma (o se transfiere) en otras formas de energía. No obstante, ninguna máquina puede transformar completamente toda la energía disponible en trabajo útil. En otras palabras, ninguna máquina es eficaz al 100%. El rozamiento existe en todo sistema móvil, y el efecto de la fricción es transformar la energía mecánica en

energía térmica que suele perderse en el aire circundante) Los fabricantes de vehículos están esforzándose constantemente por mejorar la eficacia de sus motores, así como por mejorar la forma aerodinámica de sus vehículos.

-Uso de energía en la Industria.

Aproximadamente, la tercera parte de la energía total que se usa en España la consume la industria. El 80 % de la energía consumida en la industria la usan las máquinas y los procedimientos que fabrican los productos. EL resto se emplea para calentar e iluminar los edificios y para suministrar agua caliente y otras instalaciones para la mano de obra.

-Ahorro de energía en la industria.

La sociedad actual se basa en la caducidad intrínseca. En otras palabras, diseñamos cosas para ser

tiradas. Evidentemente, esto no puede continuar. Para ayudar a ahorrar energía y materiales, hay que fabricar todos los productos de manera que duren mucho más tiempo. Sin embargo, a la gente le gusta tener cosas nuevas normalmente, y la industria se ha acostumbrado a un gran volumen de ventas. Además, millones de personas se ganan la vida fabricando cosas. Podrías pensar en

este problema e intentar encontrar una solución.

-Ahorro de energía en la producción.

Aproximadamente, el 70 % de la energía consumida, en la industria se usa para generar calor para los

procesos industriales. Esto incluye hornos calderas bañeras térmicas, etc. Gran parte de estos equipos

son antiguos e ineficaces. Aquí se podrían hacer grandes ahorros de energía mejorando la calidad de

los equipos, instalando materiales de aislamiento y controles mejores.

-Sustitución de equipos antiguos.

Algunos equipos emplean métodos anticuados, y lo ideal seria que fueran sustituidos. Se puede hacer un ahorro de energía de hasta el 80%, por ejemplo, sustituyendo el horno de secado tradicional por uno moderno.

-Mejora del aislamiento.

Al igual que ocurre con las viviendas particulares, la industria puede reducir la pérdida de calor en sus edificios instalando un aislamiento adecuado. Desafortunadamente, muchos edificios de fábricas son muy viejos y están en malas condiciones. Esto puede incluir techos, paredes y ventanas deteriorados, que tienen como resultado una pérdida de calor por convección. Por tanto, el coste del ahorro de energía para alguna gente de negocios puede ser muy elevado y tener un periodo «de amortización» largo.

-Ahorro de energía a bajo coste.

Al igual que en los hogares, se puede ahorrar mucha energía siguiendo unas cuantas reglas sencillas. Además, puede que hagan falta algunos controles y equipos baratos. Por ejemplo, hay que apagar siempre las máquinas cuando no se están usando; aquí se incluye equipo de oficina, como máquinas de escribir eléctricas y lámparas de mesas de despacho. No hay que dejar las luces encendidas sin necesidad (se pueden controlar con un interruptor temporizado sencillo en zonas donde la seguridad lo permita) y no ha y que dejar las

puertas abiertas sin necesidad (se les puede instalar un mecanismo de cierre por muelle), etc.

-Director de energía.

Estas medidas de ahorro de energía están bien, pero, a menos que alguien se responsabilice de que se lleven a cabo, puede que los ahorros de sean pequeños. Hoy día, muchas empresas contratan a un director de energía, cuyo trabajo es inspeccionar el uso de energía en una fábrica o en una industria, y encontrar formas de reducir ese uso. Esto abarcará todas las formas de ahorro de energía, desde la calefacción y la iluminación a la fabricación y el trabajo a máquina.

LA ELECTRICIDAD

De todas las formas de energía que usamos hoy día, la energía eléctrica es la más versátil y la más cómoda, La corriente eléctrica se lleva fácilmente por los cables a donde haga falta. Es limpia, no contamina (cuando se está usando) y se puede encender y apagar a voluntad. Sin embargo, lo más fundamental es que se puede transformar fácilmente en otras formas de energía. El secador es un ejemplo. La resistencia transforma la energía eléctrica en energía térmica, y el motor la transforma en energía cinética rotatoria, para accionar el ventilador) Se puede dibujar un diagrama de flujo que represente esta transformación de energía.

-Cómo se produce la electricidad.

La electricidad se produce girando una bobina de alambre en un campo magnético. Un generador simple se puede fabricar en el laboratorio de ciencias del Centro. El generador «accionado con el dedo» de producirá suficiente electricidad para «hacer fluctuar la aguja» de un galvanómetro. En una central eléctrica, unas turbinas accionadas por vapor de agua a gran presión hacen girar a generadores enormes.

-La central eléctrica.

En los países desarrollados, mas del 75 % de la electricidad se genera en centrales eléctricas de combustión de carbón. Otro 19 % procede de las centrales eléctricas nucleares; aproximadamente un 4% de las centrales de combustión de petróleo, y menos del 2 % de las centrales hidroeléctricas.

-Grupo generador.

Las centrales eléctricas queman carbón o petróleo, o emplean combustible nuclear para producir calor. El calor se usa en la caldera para convertir el agua en vapor a gran presión, que después entra en la turbina. El vapor en expansión cede su energía a las paletas de la turbina mientras las “aprieta”, haciendo que giren. Entonces el vapor entra en un condensador donde se vuelve a condensar convirtiéndose en agua antes de volver a la caldera para volver a empezar el ciclo.

LAS ENERGÍAS ALTERNATIVAS

En la era contemporánea la necesidad de disponer de fuentes de energía aprovechables se ha convertido en algo imprescindible para el ser humano. Basta pensar en el consumo energético que una persona común realiza al día para darse cuenta de la dependencia existente. El gas empleado para calentar el agua y para la calefacción, la gasolina que mueve los coches, aviones y trenes, la electricidad que, entre otros usos, ilumina las casas, permite que suenen las radios y se vea la televisión..., son fuentes de energía que se emplean en la actualidad y que constituyen uno de los pilares de la civilización. Sin ellas no funcionarían los aparatos empleados por el hombre en su vida cotidiana.

Se calcula que las reservas de fuentes de energía convencionales existentes en la Tierra pueden durar todavía varios cientos de años. Esto implica que una crisis energética real de ausencia de estos productos, que tendría consecuencias catastróficas para la humanidad, no se va a producir durante, al menos, unas décadas; no obstante, la extracción de esta energía es cada vez más cara. Los pozos de carbón y petróleo deben perforarse cada vez más profundos, lo que dispara los costes de dichas materias. Las centrales nucleares dan resultados inferiores a los esperados; además, el coste de purificación del uranio que estas centrales necesitan para trabajar es muy elevado.

A la vista de estos inconvenientes, los distintos gobiernos del mundo han puesto en marcha, a partir de la crisis petrolífera de 1973, diversos proyectos de investigación sobre otras fuentes de energía que puedan resultar rentables cuando el coste de las fuentes tradicionales aumente. Estas nuevas energías son las denominadas alternativas.

-LA CRISIS ENERGÉTICA

Durante gran parte de su evolución, el hombre ha realizado todos los esfuerzos físicos con la energía proporcionada por sus propios músculos o por los de animales domésticos tales como el caballo o la mula. Únicamente el viento y el agua, en velas y molinos, se empleaban para proporcionar energía. Aun así, el uso de estos dos elementos para realizar trabajo se hacía con tecnologías muy sencillas que proporcionaban poco rendimiento y los limitaban a aplicaciones específicas. Esta situación sólo empezó a cambiar con la aparición de la revolución industrial del siglo XIX. Aproximadamente en 1830 los avances técnicos conseguidos permitieron construir la máquina de vapor. Ésta constituye la primera herramienta no movida por fuerzas animales empleada en múltiples usos industriales. Con ella llegó la era contemporánea. Los cambios producidos desde ese momento a nivel social, económico y científico superan, con mucho, los producidos durante toda la historia precedente.

Después de la máquina de vapor, y como desarrollo natural de ella, vinieron los motores de gasolina. Estos motores de uso más sencillo permitieron aumentar el campo de aplicaciones técnicas existente. También hizo su aparición el empleo de gas para alumbrado y calefacción y los generadores de electricidad por medio de máquinas de vapor o gasolina. Éstos permitieron el empleo práctico de la electricidad que antes constituía únicamente un fenómeno de la naturaleza representado principalmente por los rayos. En base a estas energías se produjo el desarrollo industrial del siglo XX, desarrollo que configuró una nueva sociedad.

Actualmente la mayor parte de la energía que consumimos tiene como origen al carbón o al petróleo (productos de origen similar al gas natural), además de la energía proveniente de la fisión del uranio, denominada comúnmente energía nuclear de fisión. Algunas de estas fuentes de energía se transforman antes de llegar al usuario final: el petróleo necesita refinado, el carbón se suele quemar para producir electricidad y la energía nuclear también se transforma en electricidad por medio de turbinas.

Sin embargo, y pese a sus usos y formas de empleo tan diversos, todas estas fuentes de energía tienen una característica en común: todas ellas son energías no renovables.

Una fuente de energía no renovable es aquella de la que existe una cantidad limitada y que una vez empleada en su totalidad no puede sustituirse, ya que no existe sistema de producción o la producción es demasiado pequeña para resultar útil a corto plazo. Por ejemplo, el petróleo y el carbón constituyen una fuente de energía no renovable porque existe una cantidad limitada de ellos en el subsuelo terrestre y la capacidad de creación es muy inferior a la de consumo. Las reservas calculadas de petróleo y carbón se miden en cientos de años, mientras que el tiempo de producción de los mismos se mide en miles de millones de años. Por ello no se produce la renovación con la rapidez suficiente y llegará un momento en el que, con el consumo actual, se agote toda la cantidad existente.

Los sistemas basados en uranio son otro ejemplo de fuente de energía no renovable. En este caso no existe ningún ciclo de renovación, pues todo el uranio existente en la Tierra se produjo durante la formación del planeta y desde ese momento este material en estado libre se ha estado desintegrando radiactivamente para producir plomo. El uranio que queda en la actualidad son los restos del existente en el origen de nuestro planeta. Aunque esta cantidad es suficiente para proporcionar una gran cantidad de energía debido a su alto rendimiento, las centrales necesarias para su uso son extremadamente caras debido a la tecnología empleada y a las medidas de seguridad necesarias. Además los residuos generados, radiactivos, presentan un problema adicional, ya que si se dejaran libres en la atmósfera ocasionarían gran cantidad de daños.

Como contraposición a las anteriores, se puede definir una fuente de energía renovable como aquella que está disponible en cantidad infinita o que se puede renovar con la misma rapidez que se consume. Hace falta aclarar que cuando se dice infinita, se habla en términos de raza humana. Evidentemente cualquier tipo de energía desaparecerá cuando desaparezca el Sol. Otras lo harán antes, cuando se destruya la atmósfera. Pero en cualquiera de estos casos la vida humana habrá desaparecido previamente, por lo que la ausencia de energía en un momento posterior carece de importancia.

Las energías alternativas se definen como las energías renovables que sean utilizables de forma que puedan sustituir eficazmente a las empleadas en la actualidad. Eficazmente se refiere a que exista una técnica capaz de hacerlo y a que resulte rentable económicamente hacerlo. Esta rentabilidad económica sólo empezó a existir a partir de 1973 como consecuencia de la crisis petrolífera. En dicho año, la OPEP (Organización de Países Exportadores de Petróleo) acordó la subida de precios del petróleo. Esta subida, que triplicó el precio en un año, se debió, entre otros factores, a la toma de conciencia de los países productores árabes de la importancia del petróleo. Estos países eran tradicionalmente pobres y vieron en esta subida una forma de mejorar su nivel de vida, y además de hacer política a nivel internacional, en lugar de estar supeditados a las decisiones de los países desarrollados.

La repercusión en los países occidentales, incluida España, de esta subida fue muy importante. Al no disponer de dinero suficiente para comprar todo el combustible necesario, se introdujeron diversas restricciones. Un caso límite fue Holanda, que llegó a prohibir la circulación de coches y otros vehículos de motor los domingos y festivos. Posteriormente la situación se estabilizó y disminuyó la gravedad de los hechos, pero los ciudadanos y gobiernos de los países consumidores habían tomado conciencia del peligro de depender tanto del petróleo, e iniciaron investigaciones sobre las energías alternativas.

Si se examina la naturaleza se ve que constantemente está produciendo energía de muy diversas formas. El ejemplo más claro es el Sol, sin el cual la vida en la Tierra hubiera sido imposible, ya que proporciona la luz y el calor necesarios para la vida. Su energía se emplea de forma natural masivamente. Las plantas emplean su luz para realizar la labor de fotosíntesis y proporcionar oxígeno a la naturaleza además de para su propia alimentación. También hace evaporar agua de los mares y forma las nubes que proporcionan lluvia que da origen a los ríos y permite la vida en las tierras del interior. Sin embargo, la mayor parte de la energía solar no es empleada útilmente por la humanidad.

El Sol produce cada segundo 4·1026 vatios. Esta energía se radia al espacio en forma de diversas radiaciones electromagnéticas como la luz, rayos X y ondas gamma.

A la Tierra, debido a la distancia y al pequeño tamaño de nuestro planeta con respecto al Sol, sólo le llegan dos millonésimas partes, es decir 8·1020 vatios por segundo.

De toda la energía recibida, aproximadamente la mitad no llega a la superficie debido a la absorción por la atmósfera, bloqueo que ejercen las nubes y otros fenómenos meteorológicos.

De la cantidad resultante, la mayor parte va a parar a lugares en los que no se emplea, como son tejados de casas, tierras sin vegetación como los desiertos, etc. La utilización que se hace de dicha fuente es, en su mayor parte, como fuente de energía para el ciclo de fotosíntesis de las plantas en agricultura y en ecología en general. La utilización de esta energía para otros fines, como obtención de electricidad, es una de las principales ramas de estudio dentro de lo que se han venido a bautizar como energías alternativas.

Otra energía natural en la que se están haciendo investigaciones es la energía del viento o energía eólica. Este segundo nombre proviene de Eolo, dios griego y señor de los vientos. Este fenómeno natural está causado por las diferencias de presión que se producen entre dos puntos alejados, diferencia de presión producida a su vez por el calentamiento de uno de los puntos y/o enfriamiento del otro. En el punto más caliente, el aire tiende a subir, creando en su parte inferior un vacío que provoca el flujo de aire desde el otro punto.

Este fenómeno meteorológico fue de los primeros en ser usado técnicamente en los molinos de viento, que transformaban la fuerza del viento en movimiento de las aspas para un molino de harina.

También se ha empleado en pequeña escala en granjas para la extracción de agua de pozos. Su utilización en gran escala para producción de energía eléctrica es, sin embargo, algo que ha empezado a ser estudiado recientemente.

Otras energías que no son tan conocidas, pero que también pueden ser aprovechables, son: las originadas por las mareas; las originadas por biomasa, es decir, combustión de residuos orgánicos; las geotérmicas, que aprovechan el calor existente en el interior de la corteza terrestre.

También se realizan estudios para el empleo efectivo en todo tipo de maquinaria del alcohol. Este combustible ofrece la ventaja sobre el petróleo de ser renovable, ya que las plantas de las que se obtiene crecen con gran rapidez.

De este modo la producción no tendría un límite impuesto por las existencias. Como desventaja principal se halla el hecho de que el alcohol posee un poder energético menor. Debido a esto, las máquinas basadas en alcohol sólo son capaces de desarrollar potencias menores que las que emplean petróleo.

-ENERGÍA SOLAR

La energía solar es, probablemente, la más conocida de las energías alternativas a nivel del público en general. La investigación sobre esta fuente de energía fue de las primeras en empezar, y debido a ello existe una gran diversidad de sistemas de aprovechamiento de la misma.

El principal problema que plantea este tipo de energía es, evidentemente, el Sol. Para que las instalaciones sean rentables, es necesario disponer de una zona en la que el Sol ilumine durante la mayor parte del año. Esto hace impracticable el uso de energía solar en los países nórdicos como Suecia o Noruega. En cambio, en España, y sobre todo en la zona sur, puede aprovecharse con gran éxito.

-ENERGÍA FOTOVOLTAICA

Como su propio nombre indica, este sistema se encarga de convertir la luz del Sol («foto») en energía eléctrica («voltaica»). El nombre se emplea, específicamente, para denominar al sistema que hace esta conversión por medios puramente electrónicos. El componente principal de todos los sistemas de energía fotovoltaica es la célula solar de silicio.

Para la construcción de cada célula se parte de arena común, que posee un contenido muy elevado de dióxido de silicio (Si O2). En primer lugar se extrae el dióxido de silicio y se separa en sus dos componentes, obteniendo una barra de silicio amorfo (sin estructura cristalina) y que se encuentra altamente contaminado con pequeñas cantidades de otros elementos. Por un proceso de calentamiento con microondas a muy altas temperaturas se transforma la barra en un cilindro de silicio monocristalino que, como su propio nombre indica, tiene una estructura de cristal único.

El número de electrones de la capa exterior del átomo del silicio (llamados electrones de valencia) es cuatro. Cada uno de estos electrones es compartido con otro átomo de silicio mediante un enlace covalente. Estas uniones forman una red cristalina altamente estable y con cualidades físicas de aislante eléctrico.

Este proceso de calentamiento sirve, además, para eliminar las impurezas existentes en el material. Estas impurezas (átomos de otros elementos químicos) hacen que el bloque sea inutilizable si se encuentran en proporciones de una entre un millón e incluso menores. Una vez purificado, el cilindro se corta en láminas muy finas denominadas obleas, con un espesor de una décima de milímetro.

A continuación cada oblea es sometida a un complicado proceso de fotograbado. En este proceso se marcan sobre la lámina varios cientos de celdillas. Cada una de estas celdas se divide en dos partes, una positiva y otra negativa. En la parte positiva se introduce, pero esta vez a propósito, un número muy pequeño de impurezas compuestas de átomos que tienen tres electrones de valencia. Al formarse la red cristalina, la ausencia de un cuarto electrón provoca la falta de un enlace. Esto en términos electrónicos se denomina hueco y se puede considerar como una carga positiva libre en el material, que le da cierta capacidad conductora.

En la zona negativa se realiza un proceso similar, pero las impurezas son átomos de cinco electrones de valencia. En el cristal queda, por tanto, un electrón sobrante que constituye una carga negativa libre. El dispositivo formado por ambas partes, positiva y negativa, constituye un diodo. Normalmente los diodos se emplean para rectificar la corriente, ya que la dejan pasar sólo en un sentido. Pero si se diseñan adecuadamente, los diodos poseen otra propiedad: al iluminar el material semiconductor, la energía luminosa recibida hace que un determinado número de electrones se desprendan de sus respectivos átomos y circulen libremente por el material. Además, en la unión entre las zonas positiva y negativa existe una diferencia de potencial de entre 0,5 y 0,6 voltios. Ambos efectos unidos provocan que, al ser iluminada, la célula se comporte como una batería capaz de dar, en condiciones óptimas de iluminación, una tensión de 0,5 voltios y una corriente de 28 miliamperios por centímetro cuadrado iluminado.

Cada oblea se compone de cientos de diodos de dicho tipo, y cada panel solar se compone de varios cientos de diodos. Interconectándolos en serie y paralelo, se obtienen tensiones de varios voltios y corrientes del orden de amperios, suficientes para ser usadas eficazmente.

El sistema se suele complementar con un dispositivo de control y unas baterías recargables que permiten almacenar la energía para emplearla cuando sea necesaria, pero no exista luz, como por ejemplo, de noche. Los modelos más perfeccionados disponen además de motores que se encargan de girar los paneles de forma que apunten siempre hacia el Sol. De este modo se consigue que reciban siempre el máximo de luz posible y den el máximo rendimiento.

-Ventajas del sistema fotovoltaico

Esta tecnología ha sido muy estudiada y presenta la ventaja de que, en su versión más sencilla, no posee partes móviles o propensas a romperse. Estos factores la hacen ideal para los lugares poco accesibles o en los que no exista personal constantemente. Como ejemplos pueden indicarse los faros marinos y los puestos automáticos de socorro de algunas autopistas. En ambos casos las células solares fotovoltaicas evitan el tendido de costosos cables de alimentación.

Los sistemas basados en paneles fotovoltaicos pueden crecer de forma modular con modificaciones muy sencillas a la estación existente previamente. De este modo pueden pasar de un solo panel para uno de los puestos mencionados anteriormente, a varios cientos para fábricas y otras instalaciones a gran escala.

-Inconvenientes de dicho sistema

Como desventajas principales del sistema se pueden señalar dos. En primer lugar, aunque el silicio es barato -es el constituyente principal de la arena de todas las playas- el proceso de creación de las obleas finales es muy complejo y caro. Los precios de obtención en fábrica dan uncoste aproximado de 8000 pesetas por kilo, excesivamente elevado para aplicaciones industriales. Por otra parte el rendimiento obtenido de la luz solar no es muy elevado si se le compara con el terreno que ocupa; aproximadamente se produce energía eléctrica por un valor de un 13 % de la energía solar recibida.

En la actualidad se hallan en estudio diversos sistemas que posean un coste de fabricación más barato, como los que emplean silicio amorfo sin estructura cristalina única, que evitan la costosa fase de cristalización. Pero por los rendimientos obtenidos no superan a las células convencionales.

-ENERGÍA POR COLECTOR SOLAR

Las ondas electromagnéticas provenientes del Sol son absorbidas por todas las superficies expuestas a él. Esta energía que reciben los cuerpos se convierte en luz en el caso de las células fotovoltaicas, se emplea en la descomposición de compuestos químicos, como en el caso de la fotosíntesis, o en la mayoría de los casos, se transforma en calor.

Los sistemas de colector solar aprovechan este calor y lo emplean en el calentamiento de un líquido. Se pueden dividir en sistemas sin concentración y sistemas con concentración. En los sistemas con concentración la luz solar se concentra por medio de lentes o espejos sobre la zona a calentar, lo que permite obtener rendimientos muy elevados. En los sistemas sin concentración, en cambio, la zona a calentar se expone directamente al Sol y sin elementos auxiliares, lo que se traduce en un rendimiento inferior, pero también en una mayor facilidad de construcción y menos posibilidades de fallos técnicos.

Los sistemas sin concentración son:

-el colector solar plano convencional,

-el colector solar de vacío.

Los sistemas con concentración son:

-Colectores solares de concentración de uno y dos ejes,

-Hornos solares de torre central.

-Colector solar plano convencional

Este tipo de colector es muy sencillo de fabricar, razón por la cual es el colector de uso más extendido. Se compone de cuatro componentes:

-Circuito conductor del agua.

-Placa absorbente.

-Cubierta

-Caja protectora.

El circuito conductor de agua consta de una red de tubos fabricados en acero, aluminio o cobre y pintados de negro para que la absorción de calor sea máxima. Estos tubos se fabrican de pequeño diámetro, de modo que al haber menos líquido, el calentamiento se produzca más rápidamente.

La conducción se halla montada sobre una placa absorbente, normalmente del mismo metal, encargada de captar más calor y transmitírselo a los tubos. Se puede decir que hace el efecto inverso a los paneles de una calefacción. Mientras éstos ofrecen la mayor superficie posible para radiar calor al exterior, la placa absorbente amplía el área disponible para captación de calor. Para un mayor aprovechamiento del calor recibido, resulta imprescindible que la unión entre los tubos y la placa sea lo mejor posible para evitar las pérdidas de calor en la unión. En muchos casos los dos módulos se fabrican de una sola pieza para reducir dichas pérdidas al mínimo.

La caja protectora y la cubierta, además de proteger físicamente al sistema de conducción y de servir de base de soporte, deben servir de aislantes térmicos. La cubierta se fabrica de vidrio blanco con bajo contenido en hierro, para tener la mayor transparencia posible. La caja se fabrica en acero o aluminio para darle consistencia y va recubierta internamente de fibra de vidrio o algún otro aislante similar, de modo que el calor acumulado en su interior no se pierda.

Para funcionar, se conecta la entrada de líquido de la conducción al suministro de agua fría. La mayor parte de los rayos de Sol pasa a través de la cubierta transparente. Una pequeña parte (aproximadamente un 10 %) es reflejada y devuelta a la atmósfera. La radiación que traspasa la cubierta incide sobre la conducción y la placa absorbente. Inicialmente, al estar frías ambas superficies, la absorción de calor es máxima, pero al calentarse, llegan a una temperatura denominada punto de equilibrio dinámico. En dicho punto la placa empieza, a su vez, a emitir calor en forma de radiación infrarroja. El vidrio es opaco a dicha radiación y deja pasar sólo una pequeña cantidad de aproximadamente un 8 %, que es la pérdida por radiación.

El calor que queda en el interior del colector recibe el nombre de efecto invernadero y hace que la temperatura dentro de la caja se eleve considerablemente. Este calor es una energía adicional de calentamiento, aunque parte de él se pierde por las paredes de la caja y por las ranuras, denominándose pérdida por convección; dicha pérdida representa un 12 % a una temperatura de 40 ó 50 grados centígrados, aumentando dicho porcentaje al aumentar la temperatura. Esta pérdida es la razón que obliga a recubrir el interior de la caja con material aislante y a sellar herméticamente todos los orificios.

El rendimiento del sistema varía en función de la intensidad de luz recibida y de la temperatura interna, pero los valores aproximados son de entre un 30 % y un 50 %, lo cual implica que de cada 100 vatios recibidos, se generan útiles entre 30 y 50.

-Ventajas del colector plano convencional

Los sistemas de colector plano como el descrito son útiles para calentar el agua de la calefacción y la que se usa dentro de la casa. Su construcción es sencilla y de bajo costo. Además la ausencia de piezas móviles les proporciona una gran durabilidad.

-Inconvenientes

Debido a las pérdidas originadas por convección, la temperatura alcanzada no es demasiado elevada. A 80 grados el rendimiento del sistema es prácticamente nulo. Por otra parte, para aplicaciones reales es necesario disponer de un sistema de almacenamiento de calor, ya que las situaciones en las que suele emplearse dicha energía -noche o atardeceres- es cuando no hay luz. Por esta razón es imprescindible el empleo de acumuladores de calor por medio de agua, similares en concepto a los termos para líquidos, pero con capacidades de cientos o incluso de miles de litros.

-Colector solar plano de vacío

Conceptualmente, el colector solar plano de vacío tiene un diseño bastante similar al colector plano convencional. Consta de una caja dentro de la cual se distribuyen los conductos del líquido, fabricados con aletas para ampliar el área de recepción del calor. Dichos conductos se fabrican de superficies especiales altamente selectivas. Las superficies selectivas absorben la luz solar que tiene una frecuencia determinada, pero en cambio la luz de frecuencia más corta, como son los infrarrojos emitidos por calor, no son emitidos. Con una superficie de alta calidad se pueden llegar a proporciones de absorción de luz solar del 95 % y emisión de infrarrojos de sólo un 5 %.

La diferencia principal con el modelo explicado anteriormente, aparte del empleo de materiales más adecuados, es que para reducir las pérdidas al mínimo, la caja se cierra herméticamente después de hacer el vacío en su interior. De este modo, las pérdidas por convección se eliminan aumentando considerablemente el rendimiento.

La temperatura alcanzable con un sistema de este tipo puede llegar a los 120 grados, siendo el rango normal de entre 80 y 120 grados centígrados.

-Ventajas del colector de vacío

La mayor temperatura alcanzable genera un mayor rendimiento por metro cuadrado y disminuye las pérdidas. El vapor obtenido puede emplearse más eficazmente en calefacción y otros usos en los que las temperaturas alcanzadas por el colector convencional son insuficientes.

-Inconvenientes

Los materiales empleados y la necesidad de una construcción delicada para generar el vacío hacen que suba el costo de fabricación. Aunque no posee piezas móviles, tiene una mayor fragilidad. Las temperaturas alcanzadas, aunque elevadas, no son suficientes para generar energía mecánica.

-Colectores de concentración lineal de un eje

En muchas aplicaciones es necesaria la obtención de temperaturas más altas del líquido conductor. En estos casos se emplean los colectores de concentración.

Un sistema de concentración de un eje consta de un tubo por el que circula el fluido a calentar. El tubo se halla situado paralelo a una superficie reflectante que posee un perfil parabólico. En el eje focal de dicho perfil se halla situado el tubo, de modo que la luz reflejada por el espejo se concentra sobre el tubo. El conjunto suele poseer una gran longitud, que puede llegar a ser de hasta 100 metros.

El conducto se fabrica con material altamente selectivo, negro níquel, óxido de cobre sobre níquel u óxido de cobre sobre aluminio, para que la absorción de calor sea lo mayor posible. La superficie reflectante se puede fabricar con espejos cuyo vidrio tenga bajo contenido en hierro; ésta es la solución más empleada. Otra opción es el empleo de metales pulidos. Se suele emplear el aluminio, pero es necesaria una pureza superior al 99 % para que el rendimiento proporcionado sea suficiente.

Para que el sistema funcione correctamente es necesario que la perpendicular de la superficie parabólica apunte siempre hacia el Sol. Como la posición del astro varía constantemente debido a la rotación de la Tierra, es necesario que el sistema disponga de un sistema de orientación. Este sistema consta de un ordenador, un detector de posición solar y de un motor que mueve el ángulo de inclinación del eje de la parábola con respecto a la vertical.

El detector, normalmente una matriz de fototransistores, cada uno de los cuales genera una corriente proporcional a la luz que incide en él, detecta la variación de la orientación con la posición real del Sol. El ordenador emplea dicha información para poner en marcha el motor y ajustar de nuevo la orientación.

Este sistema sólo permite el movimiento en un eje de la estructura, por lo que se dispone ésta longitudinalmente de Norte a Sur, de modo que el movimiento de orientación se pueda hacer de Este a Oeste. Con esta orientación se puede apuntar al Sol desde que sale hasta que se oculta.

La concentración de energía que se alcanza es cincuenta veces superior a un sistema similar que no empleara espejos reflectantes. Las temperaturas alcanzadas varían entre 120 y 350 grados centígrados.

-Ventajas de los concentradores de un eje

Las temperaturas que alcanzan permiten el uso del líquido calentado para calefacciones y también para turbinas de pequeño tamaño. Aunque más propenso a fallos que los sistemas totalmente estáticos, no tiene mucha complejidad mecánica y su fiabilidad se puede calificar de alta.

-Inconvenientes

El sistema no es apto para generar grandes fuerzas mecánicas. La larga distancia que tiene que recorrer el líquido calentado hace que su temperatura disminuya algo, por lo que el rendimiento es inferior al máximo posible. Otro inconveniente surge debido a que el Sol se mueve en realidad por el cielo según dos ejes. Uno, el eje Este-Oeste diario que ya se ha comentado, el otro es el eje Norte-Sur. La variación en este eje se produce anualmente, ya que el Sol en una época del año aparece más al Norte y en otras más al Sur. Esta variación es más acusada cuanto más alejado se halle el lugar del ecuador.

Para corregir el error cometido por esta variación se han diseñado sistemas de dos ejes en los que se controlaba constantemente el error Norte-Sur y el Este-Oeste. En este caso no se puede disponer todo el sistema linealmente, sino que se coloca un campo de colectores independientes, cada uno de los cuales puede tener hasta 50 metros cuadrados de superficie reflectante. Esta superficie se halla situada encima de un poste vertical en el cual se hallan colocados los dos motores que orientan la estructura. La complejidad mecánica añadida al sistema no suele compensar la ganancia de rendimiento, por lo que estos sistemas no se hallan muy extendidos.

-Hornos solares de torre central

Cuando lo que se desea es convertir el calor solar en energía mecánica, es necesario obtener temperaturas muy elevadas, del orden de los 2 000 ºC. En estos casos se emplean los hornos solares de torre central.

Los dispositivos de este tipo constan de una torre central con una altura de entre 60 y 100 metros. En la parte superior se halla el horno solar propiamente dicho. En él es donde se produce la energía por medio de la luz que le llega. En la base de la torre se dispone un conjunto de heliostatos. Cada uno de estos heliostatos consta de un espejo con una superficie reflectante de entre 20 y 50 metros cuadrados situado sobre una columna vertical y de dos motores que le proporcionan orientación horizontal y vertical. El número de estos paneles puede llegar a ser de 2 000, aunque normalmente varían entre 100 y 300, y ocupan una superficie de unos 10 000 metros cuadrados de terreno. Como control central existe un ordenador que calcula constantemente el ángulo de incidencia de la luz sobre cada heliostato. Con este dato, el ordenador mueve los motores para que la luz reflejada se proyecte sobre la cavidad de calentamiento de la torre.

Existen tres modos de funcionamiento de horno solar. En el primero, denominado receptor-evaporador, se calienta agua a temperaturas muy elevadas hasta que entra en ebullición. El resto del proceso se realiza igual que en cualquier caldera de vapor convencional. El segundo sistema es el receptor para fluidos líquidos. Emplea sales minerales de sodio y potasio fundidas a baja presión. La construcción puede ser más ligera al no tener que soportar altas presiones, pero hay que tomar más precauciones para el manejo de las sales. Por último, el tercer sistema es el denominado receptor de aire. En él se calienta aire a altas temperaturas, aire que a su vez se emplea en mover una turbina de gas. Éste es el sistema que mayor rendimiento da, pero posee el problema de que las tremendas variaciones de temperatura a que se somete al sistema lo acaban destruyendo.

Los hornos solares de este tipo pueden proporcionar potencias muy elevadas, que pueden ir de 1 a 10 megavatios. Esto los hace especialmente apropiados para aplicaciones industriales a gran escala. El rendimiento del sistema varía entre un 10 % y un 15 %.

-Ventajas de los hornos solares

Es el sistema de calentamiento que mayor rendimiento obtiene en la conversión a energía eléctrica. Al diseñarse a escalas grandes, el elevado coste del sistema de control se reparte entre mayor número de kilovatios obtenidos, proporcionando una mayor rentabilidad.

-Inconvenientes

Menor rendimiento que otros sistemas, por ejemplo el fotovoltaico. La precisión necesaria en la orientación de los heliostatos hace que su construcción y mantenimiento sean delicados, debido a su gran número, haciendo disminuir la fiabilidad del sistema.

-ENERGÍA EÓLICA

La energía eólica es una de las más antiguas que se ha empleado por la humanidad, y hoy en día sigue ofreciendo grandes posibilidades. Los primeros sistemas de obtención de energía basados en el viento se encargaban de transformar ésta en un esfuerzo mecánico útil. En los molinos castellanos el viento movía las aspas que a su vez movían una rueda de moler harina. En otros muchos se empleaba para hacer funcionar bombas de agua que la extraían de los pozos.

En la actualidad, sin embargo, todos los sistemas industriales de aprovechamiento de energía eólica la transforman en electricidad, ya que es utilizable para prácticamente todos los fines y puede transmitirse a larga distancia sin problemas.

-Tecnología

El viento se produce al haber una variación de temperatura entre dos puntos. En la posición a mayor temperatura, el aire caliente sube hacia las capas superiores de la atmósfera creando un vacío en la parte inferior. Para mantener la densidad constante, el viento fluye hacia este punto desde las zonas a menor temperatura. A nivel global, el ecuador es la zona más caldeada y los polos las más frías, por lo que el flujo de aire a baja altura tiende a ir de los polos al ecuador.

La potencia que se puede obtener del viento varía con el cubo de la velocidad, por lo tanto será necesario elegir situaciones en las que la velocidad sea máxima. La velocidad del viento depende de varios factores. En una llanura lisa podrá alcanzar velocidades mucho más elevadas que en zona de edificios o bosques, ya que los obstáculos frenan sensiblemente la velocidad. Otro factor que afecta a la velocidad es la altura. A 36 metros de altura la velocidad puede llegar a ser de hasta el doble que a 6 metros. Esto se debe a que la proximidad del terreno, independientemente del tipo de éste, actúa de freno sobre la corriente de viento próxima al suelo.

Un parámetro tan importante como la velocidad máxima que puede alcanzar el viento es la estabilidad de dicha velocidad. Todos los tipos de generadores eólicos tienen una curva característica con una velocidad máxima y una mínima aprovechable.

Por debajo de dicha velocidad mínima la energía obtenida es nula, incluso en algunos sistemas se produce consumo de energía en lugar de producción, y en otros el sistema no puede arrancar. Al aumentar la velocidad, el sistema tarda un cierto tiempo en alcanzar una generación de potencia óptima, considerándose dicho tiempo también un desperdicio.

Por encima de la velocidad máxima, el diseño de la maquinaria no permite una generación mayor de energía, por lo que el exceso de velocidad se desperdicia. Además, a velocidades demasiado altas la fuerza del viento provoca esfuerzos demasiado elevados en la estructura que podrían destruirla, por lo que es necesario parar el molino.

Los valores máximo y mínimo varían bastante de un modelo de generador a otro, pero se pueden tomar como ejemplos típicos 4 m/s y 30 m/s. Resulta más útil, por tanto, una velocidad constante, ya que el aprovechamiento de energía es mayor.

Todos los generadores emplean sistemas rotatorios. En estos sistemas la potencia obtenida en vatios es P = Q . v, siendo w la velocidad angular y Q el par de fuerzas ejercido sobre el eje. La velocidad angular es el número de vueltas que da el eje rotatorio en una determinada cantidad de tiempo. La medida usual es el radián por segundo. En cada giro completo hay 2 p radianes. Si por ejemplo se dice que la máquina tiene una velocidad de giro de 10 radianes por segundo, dividiendo por 2 y por p, se obtiene que es equivalente a decir que en cada segundo da 1,6 giros. El par de fuerza es la fuerza con que se empuja al eje para hacerlo girar. La denominación de par va dada porque en física dicha fuerza se descompone en dos paralelas, pero de sentidos contrarios, que ejercen fuerza cada una sobre un extremo lateral del eje.

Por tanto la potencia de un generador se puede aumentar haciendo aumentar la velocidad de giro o el par de fuerzas. Los sistemas hidráulicos de extracción y bombeo de líquidos no pueden funcionar demasiado rápidamente debido a impedimentos mecánicos. En cambio resulta interesante aumentar la fuerza ejercida. Por tanto, en estos casos es mejor aumentar el par de fuerzas (Q). Para la generación de energía eléctrica, en cambio, es interesante una mayor velocidad, debido a que el generador eléctrico no necesita mucha fuerza para funcionar y su rendimiento aumenta proporcionalmente a la velocidad.

El rendimiento de todo generador eólico se mide con su coeficiente de potencia, que es:

Cp = potencia mecánica obtenida / ( 1/2 p A r3 )

Siendo r la densidad del aire, A el área enfrentada al viento y v la velocidad de éste.

-Modelos de generadores eólicos

Todo generador eólico emplea un rotor. Éste se compone de un eje giratorio al que se halla sujeto un número variable de palas, que son las encargadas de hacer fuerza para girar el eje. Cada pala se diseña de modo que permita aprovechar al máximo la fuerza del viento y su forma varía según el tipo de generador. Por último, al eje se le une el sistema de aprovechamiento de energía, ya sea generador eléctrico, bomba hidráulica u otro.

Los diseños de generadores eólicos se dividen en dos grandes grupos en función de su tecnología de fabricación: de eje horizontal y de eje vertical.

-Molinos de eje horizontal

Son los más conocidos. Su forma es la de una hélice enfrentada al viento, que la hace moverse. Ejemplos primitivos de este sistema son los molinos de viento de la Mancha o los empleados para extraer agua en el oeste norteamericano, popularizados por las películas «western».

Existen dos tipos diferenciados:

-Rotor de rueda de bicicleta.

-Rotor de tipo de hélice.

El rotor de rueda de bicicleta es el empleado en los molinos de agua norteamericanos. Consta de un gran número de palas muy livianas, con una gran superficie de resistencia al viento, normalmente planas, y fijadas a una rueda externa y a un eje central que le dan resistencia al montaje. Debido al poco peso de la estructura y a la gran superficie enfrentada al viento, su velocidad es inferior a los molinos de rotor de tipo de hélice, aunque debido a la gran superficie que poseen, extraen más energía a igualdad de revoluciones.

Su principal uso, debido a su velocidad, se halla en aplicaciones de obtención de energía eléctrica. Sin embargo, el poco peso de la estructura, necesario para alcanzar dichas velocidades, impide su empleo con generadores de gran potencia, estando limitada la potencia máxima generada en torno al kilovatio.

El rotor de tipo de hélice parte del mismo concepto que el de rueda de bicicleta, pero emplea un número muy útil de palas, normalmente 2 ó 3, de mayor tamaño y diseñadas con una estructura aerodinámica basada en las hélices de los aviones. En estos sistemas la velocidad alcanzable es considerablemente menor, 10 ó 15 radianes por segundo, estando la zona de máximo aprovechamiento situada en torno a los 6 u 8 rad/s.

Esta velocidad, considerablemente inferior al modelo anteriormente visto, se compensa por la posibilidad de obtener una par de fuerzas mucho mayor. El viento ejerce una fuerza constante por unidad de superficie. Al ser cada pala de mayor dimensión, también será mayor la fuerza que se ejerza sobre ella. Los sistemas se diseñan para resistir estas fuerzas superiores, aumentando el peso y disminuyendo la velocidad.

Para poder accionar el generador eléctrico con un rendimiento aceptable es necesario intercalar un engranaje que aumente la velocidad y disminuya la fuerza. Una relación típica empleada con este tipo de engranajes es de 1 a 60. Es decir, la velocidad de las palas se multiplica por 60 para mover el generador.

Los molinos de este tipo permiten la obtención de una amplia gama de energías en función del tamaño con que se diseñan. Los modelos más pequeños, con palas de 2 ó 3 metros, pueden llegar a alcanzar potencias de 10 kW. El modelo mediano, el más extendido, tiene una longitud de torre de 30 metros y palas de 10 metros, pudiendo llegar a dar una potencia máxima de 100 kW y una potencia media de 80 kW. El límite máximo alcanzado hasta ahora se halla en torno al megavatio (MW) empleando palas de 30 metros. Por encima de estas dimensiones la complejidad de diseño aumenta de tal modo (tamaño de las palas y de la torre de sustentación, aumento de la resistencia mecánica, etc.) que resulta inviable económica y tecnológicamente un diseño eficaz.

-Ventajas de los molinos de eje horizontal

Este sistema es el más estudiado y el que mejores rendimientos proporciona; se ha llegado a un coeficiente de aprovechamiento (Cp) de 0,45 a 0,50 de la potencia mecánica, aunque al transformarla en eléctrica, el rendimiento desciende. Con una elección adecuada del emplazamiento dan buen rendimiento medio, independientemente de la estación del año y de la hora del día, y emplean menos superficie de terreno que otros sistemas para la misma potencia producida.

-Inconvenientes

La energía producida en cada momento tiene variaciones instantáneas muy elevadas y difíciles de calcular. Para su emplazamiento deben elegirse zonas sin obstáculos y elevadas. La potencia máxima alcanzable es de un megavatio. Para una potencia superior debe recurrirse al empleo de formaciones de varios generadores independientes. En este caso debe tenerse en cuenta la disposición sobre el terreno para que unos no se interfieran a otros.

La necesidad de un sistema de orientación para adaptarse a la dirección del viento complica el sistema y lo hace más propenso a fallos. Dicho sistema suele constar de una veleta que detecta la dirección del viento y de un motor controlado por dicha veleta, que orienta el rotor para que apunte al viento.

-Molinos de eje vertical

En este caso el eje de giro está situado verticalmente y las palas giran alrededor de él en un plano horizontal. El viento, por tanto, hace fuerza por un lado sobre la parte delantera de las palas, dando velocidad, pero a la vez presiona sobre la parte trasera de otra pala, frenándola. El diseño crítico consiste en diseñar la estructura de la pala de modo que por delante sea capaz de captar el mayor viento posible y que simultáneamente ofrezca la menor resistencia al viento por su parte posterior. Los dos diseños que han tenido más éxito son el rotor Savonius, diseñado en 1929, y el rotor Darrieux.

El modelo más sencillo de rotor Savonius consta de un cilindro hueco partido verticalmente por la mitad y al que se le ha desplazado horizontalmente cada una de las mitades hasta formar una «S», de modo que las dos partes cóncavas capten el viento. Esta estructura original ha sido perfeccionada posteriormente por diversos métodos. En primer lugar, la estructura en «S» presenta el inconveniente de que en el interior de la parte cóncava de la pala que recibe el aire se forma una sobrepresión debido al aire que no puede salir. Esta sobrepresión desvía la corriente de aire, disminuyendo la fuerza ejercida sobre el rotor y perjudicando el rendimiento. Para evitarlo se separan las dos palas, dejando un hueco entre ambas por el que pueda existir un flujo de aire y se evite la sobrepresión. Otra mejora se consigue sustituyendo las palas semicirculares por otras diseñadas de forma que mejore el flujo de aire del que se acaba de hablar. Por último, se puede aumentar el rendimiento aumentando el número de palas del rotor. Las palas empleadas son 3, 4 y 6.

Este tipo de rotor ofrece una gran resistencia al aire, por lo que su máximo rendimiento se obtiene a bajas velocidades. Si se quisiera emplearlo en la generación de energía eléctrica, haría falta disponer de un engranaje multiplicador de alta relación, lo que disminuye la eficiencia de la transmisión haciendo no rentable el sistema. Sus principales aplicaciones están en el bombeo de agua y otras aplicaciones hidráulicas en las que la velocidad necesaria es baja, pero la potencia a aplicar bastante elevada. Su coeficiente de potencia máximo se halla alrededor del 0,32.

El rotor Darrieux es otro generador de eje vertical. En este caso el rotor tiene forma de batidora de huevos, constando de unas palas muy finas unidas al eje sólo por los dos extremos (cada pala tiene forma de ala de avión simétrica) y que adopta una curva específica entre las dos uniones al eje, curva que ha sido diseñada para obtener un máximo rendimiento. El modelo más empleado es la curva Troposkien, aunque también se usa la de forma de catenaria y la de aproximación a la de Troposkien por medio de una recta y un arco de circunferencia.

La forma aerodinámica de las palas le permite mantener la velocidad de giro una vez la alcanza, pero el sistema es incapaz de arrancar por sí solo. Esto obliga a disponer un sistema secundario de arranque. Las dos alternativas más usadas son un motor eléctrico y un rotor Savonius con un embrague que los separa una vez que el rotor Darrieux alcanza su velocidad de funcionamiento. La menor superficie enfrentada al viento permite alcanzar mayores velocidades que las del rotor Savonius, aunque menores que las de un rotor de eje horizontal, siendo ya rentable el empleo de un generador de este tipo para obtención de energía eléctrica. Los coeficientes de potencia que puede llegar a alcanzar varían entre 0,35 y 0,4. El rendimiento total del sistema cuando se adapta para la obtención de energía eléctrica ronda entre el 0,1 y 0,2.

-Ventajas de los rotores de eje vertical

La disposición del rotor le permite captar el viento proveniente de cualquier dirección sin necesidad de dispositivo de orientación. Este hecho se traduce en una simplificación de la maquinaria y en un menor número de averías.

Al estar dispuesto verticalmente el eje, la maquinaria de aprovechamiento de la energía puede situarse directamente sobre el terreno y no es necesario el empleo de una torre como en los sistemas de eje horizontal. Por tanto se produce un ahorro en costes de construcción y se facilita el aprovechamiento de la energía.

-Inconvenientes

Estos sistemas producen menos rendimiento que un rotor de eje horizontal de dimensiones equivalentes. La baja velocidad de giro dificulta su empleo en instalaciones de obtención de energía eléctrica, en las que se necesitan velocidades muy elevadas. El diseño de sistemas de gran tamaño presenta problemas mayores de estructura que si se empleara un rotor horizontal.

-ENERGÍA EÓLICO-SOLAR

Este generador se puede definir en realidad como un sistema de aprovechamiento solar, ya que en este caso se emplea la energía del Sol y se la transforma en viento, que a su vez es empleado para generar energía eléctrica.

El dispositivo, también llamado columna ciclónica artificial, consta de una gran superficie de terreno cubierta de plástico transparente. En el centro de este área se sitúa una columna hueca de gran altura (100 a 200 metros) denominada columna Venturi y en su parte superior se instala un rotor dispuesto de forma que aproveche las corrientes de aire que asciendan por la columna.

El funcionamiento es como sigue: el Sol, por efecto invernadero, calienta el aire situado debajo del techo de plástico. El calor adquirido por las moléculas de aire no se escapa al exterior, ya que el plástico es opaco a los rayos infrarrojos que desprenden dichas moléculas. La temperatura, por tanto, se eleva considerablemente. Como el aire caliente tiende a ascender, se produce un flujo de aire hasta la columna central. Dado el estrecho diámetro de esta columna, la ascensión se produce a gran velocidad, creando un efecto de ciclón y moviendo el generador superior.

Para que el sistema sea realmente efectivo, es necesario que el área de calentamiento sea lo suficientemente grande para proporcionar el suficiente volumen de aire y que la altura de la torre sea también elevada. En Manzanares (Ciudad Real) existe un dispositivo de este tipo con un diámetro de la superficie de 250 metros, que suponen 200 000 m2 y una altura de torre de 200 metros. El sistema es capaz de proporcionar 100 kW.

-Ventajas de los sistemas eólicos-solares

La sencillez del sistema da una buena fiabilidad. La única pieza móvil es el generador, que además no necesita de dispositivos de orientación.

-Inconvenientes

El rendimiento obtenido por unidad de superficie es muy bajo, ya que la misma potencia se puede conseguir con sistemas que empleen una superficie de terreno mucho menor.

-ENERGÍA GEOTÉRMICA

El interior de la corteza terrestre no es, como pudiera parecer en un principio, frío e inmóvil. Al contrario, en el interior de nuestro planeta existen grandes cantidades de energía en constante movimiento. Un buen ejemplo de este hecho lo constituyen los volcanes y los terremotos. Ambos son originados en una zona situada debajo de la corteza terrestre o sial denominada sima. Esta zona se halla a una profundidad aproximada de unos 50 km y su temperatura es de más de 1 000 ºC. La corteza terrestre tiene que aumentar gradualmente su temperatura con la profundidad, siendo este aumento de aproximadamente un grado cada 37 metros.

Los sistemas geotérmicos de obtención de energía pretenden aprovechar dicho aumento de temperatura para convertirla en fuerza de trabajo útil para el ser humano. El fundamento del sistema es similar al de los métodos de energía solar por turbina. Se calienta un fluido hasta que alcanza una temperatura muy elevada y adquiere una gran energía. Dicha energía se emplea para mover una turbina que es la productora final de electricidad.

Aunque en la actualidad no existe ningún sistema de este tipo funcionando a nivel industrial, se están realizando diversos prototipos que permitirán medir mejor los rendimientos que se puedan obtener.

El esquema básico de una central de aprovechamiento geotérmico consta de una perforación de gran profundidad en la corteza terrestre. Esta perforación debe tener varios kilómetros para llegar a una zona con temperatura suficiente. A cinco kilómetros, la temperatura aproximada es de 150 ºC. En la perforación se introducen dos tubos desde la superficie. Una vez instalados, por el primero se inyecta agua fría. Al llegar al fondo, el agua se calienta y sube por la segunda tubería. En el extremo de ésta se ha dispuesto una turbina que es movida por el chorro de agua caliente. Una vez utilizada el agua y ya enfriada, se vuelve a introducir por la primera tubería para formar un circuito cerrado.

El sistema es, teóricamente, de los mejores existentes. La necesidad de piezas móviles se reduce a la turbina, con lo que esta ausencia de mecánica aumenta la resistencia del sistema. La fuente de energía está asegurada continuamente. Al contrario que el Sol y el viento, que pueden aparecer y desaparecer, el calor del interior de nuestro planeta es constante y no sufre variaciones ni con las estaciones del año ni con la hora del día.

La construcción práctica de la estructura necesaria para crear un sistema de este tipo está prácticamente resuelta. El principal problema consistiría en la perforación de la roca hasta la suficiente profundidad. Este punto está resuelto debido a que para obtener petróleo se han tenido que desarrollar sistemas capaces de perforar hasta cuatro y cinco kilómetros.

El problema real radica en la propia naturaleza de la roca en la que se realiza la perforación. En todos los sistemas desarrollados por el hombre, se utiliza un metal para conducir el calor debido a la poca resistencia que opone al paso de éste. La roca, en cambio, es un conductor bastante malo. En el proceso de calentamiento del agua se produce una transferencia de calor de un cuerpo al otro y la roca pierde las calorías que transfiere. Esto implica que para poder funcionar constantemente debería ser capaz de absorber calor de la sima con la misma rapidez con que se lo da al agua. Esto no es cierto y una vez enfriada tarda en volver a calentarse. En los experimentos realizados el sistema funcionaba durante un intervalo de tiempo, pero posteriormente se paraba y permanecía detenido hasta que la roca volvía a recibir las calorías suficientes.

Estas deficiencias hacen imposible su explotación en gran escala. No obstante, existen determinadas zonas en las que sí es posible por las condiciones especiales que se presentan. Uno de estos casos es la isla española de Lanzarote, famosa por su actividad volcánica y en la que es posible encontrar a muy poca profundidad temperaturas sumamente elevadas, del orden de cientos de grados. En este caso la poca profundidad necesaria y la alta temperatura a la que se halla todo el subsuelo de la zona hacen más viable la aplicación de este sistema.

-ENERGÍAS MARINAS

La energía contenida en los mares y océanos de la Tierra es prácticamente incalculable. Éstos ocupan las tres cuartas partes del planeta y están repletos de recursos animales, vegetales, minerales y energéticos. De éstos, sólo se conoce una pequeña parte y se usa un porcentaje mucho menor aún.

Energéticamente el océano está prácticamente sin explotar; sin embargo, se calcula que puede ser el origen de la mayor parte de la energía que consumamos en el siglo XXI. En la actualidad se investiga sobre dos fenómenos: las mareas y el oleaje. Cada uno de ellos por su parte ofrece grandes expectativas.

-Energía a partir de las mareas

Las mareas están producidas por la Luna. Nuestro satélite, debido a su masa y proximidad, ejerce una considerable atracción gravitatoria sobre todos los objetos de la Tierra. Pero es el agua, por ser un líquido con poca viscosidad, uno de los más afectados. Cuando la Luna se halla «encima» de un océano, su gran masa atrae al agua. Esto provoca una elevación del nivel del mar, elevación que en algunos lugares es sólo de pocos centímetros, mientras que en otros llega a varios metros. Cuando la Luna se aleja, esta atracción se desplaza a otro punto de la superficie marina y la nueva subida de agua provoca el descenso en el punto anterior.

Este proceso de subida de marea se produce dos veces al día, produciéndose a continuación otras dos bajadas de marea. Todo el ciclo va variando de hora lentamente durante todo el año. También varía, por la inclinación de la Tierra con respecto al eje de giro, la altura de la marea. Estas variaciones eran conocidas desde tiempos inmemoriales y su predicción se hace sencillamente con la ayuda de unas pequeñas tablas.

El aprovechamiento de la energía contenida en las mareas pretende realizarse aplicando una variación de otro sistema ampliamente utilizado en los ríos: los embalses.

Los embalses tradicionales se colocan en puntos especialmente seleccionados del curso del río. La situación se elige para que el muro de contención del embalse ocupe lo menos posible y el agua embalsada cubra el mayor área posible junto con una gran altura. Para producir electricidad se coloca una turbina en la parte inferior del muro de contención, de modo que sus palas se mueven por medio de un chorro proveniente del embalse. Este chorro sale por un conducto situado en la parte inferior del muro y posee una gran fuerza debido al peso de los millones de litros de agua embalsada. Esta solución es eficaz y se emplea en multitud de sitios. Sin embargo, existen problemas para hallar una zona de terreno con unas características orográficas especiales, es decir, con una forma especial que pueda ser válida para dicho propósito. Además están los problemas sociales que acarrea el hecho de inundarla de agua, desplazamiento de población, pérdida de otros recursos, etc.

La nueva idea que se está ensayando es construir grandes embalses en el mar que empleen la acción de las mareas. Básicamente consiste en atrapar en dichos embalses las aguas de las mareas cuando suben y retenerlas mientras que descienden a su nivel mínimo. En dicho momento existe una energía potencial acumulada en el agua contenida en el embalse que se emplea para mover las turbinas.

Aunque los dos sistemas poseen similitudes en su forma de funcionar, el sistema de construcción y la forma de funcionamiento son totalmente distintas. En las presas que se construyen en los ríos, el muro se construye en el desfiladero existente entre dos montañas y es estrecho y elevado para poder retener el mayor nivel de agua posible. Esta barrera se construye de hormigón macizo y en su parte inferior se sitúan los conductos de salida de agua a la turbina.

Las centrales maremotrices -movidas por el mar- que embalsan el agua de las mareas no se construyen muy altas. Como se ha comentado, la diferencia máxima entre marea alta y marea baja es de algunos metros, siendo esta altura la que se puede embalsar. En lugar de edificar en altura, estos sistemas crecen en anchura, constituyendo auténticos cercados para el mar que pueden llegar a medir varios cientos de metros.

Su constitución física no es maciza. Cuando la marea está alta el muro de la presa debe hacerse desaparecer para que el agua entre en ella. Esta desaparición del muro se consigue, normalmente, construyéndolo a base de compuertas con movimiento vertical situadas entre dos pilares. La presa se construye con varios módulos similares y las compuertas se levantan accionadas con motores controlados desde una central.

Cuando el nivel interior llega a un máximo se vuelven a bajar las compuertas, cerrando totalmente el recinto de la presa. Por último, durante la bajamar se abren unos conductos considerablemente más pequeños que direccionan el flujo de agua de salida hacia las palas de la turbina. Debido a la menor altura alcanzada por el agua y de acuerdo con el principio de Pascal, la velocidad con que sale agua en este caso es menor que en los embalses. Pero en cambio la superficie es mucho mayor, lo que permite instalar un número superior de turbinas, de modo que la energía combinada puede ser igual o superior que en dicho caso.

La instalación de estos sistemas se hace en zonas de poca profundidad y que por su forma geográfica se adapten mejor a la tarea a realizar. Por ejemplo, golfos, ensenadas, etc.

-Energía a partir de las olas

El oleaje es el otro fenómeno físico marino que se está estudiando para la obtención de energía. En este caso, las tareas de investigación se hallan totalmente a nivel de realización de prototipos para determinar la rentabilidad real de estos sistemas. Según los estudios, el aprovechamiento se haría disponiendo una larga red de boyas flotantes sujetas a unos ejes fijos que les permitirían girar alrededor de ellos. Estas boyas están diseñadas con una forma tal que al chocar el frontal de la ola contra ellas se desplazarán fácilmente hacia atrás, recuperando su posición inicial después del paso del agua. Unido a cada boya se hallaría un generador de electricidad activado por el movimiento.

Este sistema presenta una gran cantidad de dificultades. En primer lugar, el fenómeno del oleaje no es tan estable como otros y puede sufrir variaciones importantes. Además, por debajo de cierta amplitud la ola no produciría movimiento ni, por tanto, energía. En el otro extremo, si el oleaje es excesivo se podrían dañar los mecanismos. Estas limitaciones hacen que su aplicación práctica sea bastante dudosa, o por lo menos, limitada a zonas muy específicas donde las condiciones del mar sean bastante estables y adecuadas al sistema.

ELECTRICIDAD

Propiedades eléctricas de los sólidos

El primer fenómeno eléctrico artificial que se observó fue la propiedad que presentan algunas sustancias resinosas como el ámbar, que adquieren una carga negativa al ser frotadas con una piel o un trapo de lana, tras lo cual atraen objetos pequeños. Un cuerpo así tiene un exceso de electrones. Una varilla de vidrio frotada con seda tiene una capacidad similar para atraer objetos no cargados, y atrae los cuerpos cargados negativamente con una fuerza aún mayor. El vidrio tiene una carga positiva, que puede describirse como un defecto de electrones o un exceso de protones.

Cuando algunos átomos se combinan para formar sólidos, frecuentemente quedan libres uno o más electrones, que pueden moverse con facilidad a través del material. En algunos materiales, llamados conductores, ciertos electrones se liberan fácilmente. Los metales, en particular el cobre y la plata, son buenos conductores.

Los materiales en los que los electrones están fuertemente ligados a los átomos se conocen como aislantes, no conductores o dieléctricos. Algunos ejemplos son el vidrio, la goma o la madera seca.

Existe un tercer tipo de materiales en los que un número relativamente pequeño de electrones puede liberarse de sus átomos de forma que dejan un `hueco' en el lugar del electrón. El hueco, que representa la ausencia de un electrón negativo, se comporta como si fuera una unidad de carga positiva. Un campo eléctrico hace que tanto los electrones negativos como los huecos positivos se desplacen a través del material, con lo que se produce una corriente eléctrica. Generalmente, un sólido de este tipo, denominado semiconductor, tiene una resistencia mayor al paso de corriente que un conductor como el cobre, pero menor que un aislante como el vidrio. Si la mayoría de la corriente es transportada por los electrones negativos, se dice que es un semiconductor de tipo n. Si la mayoría de la corriente corresponde a los huecos positivos, se dice que es de tipo p.

Si un material fuera un conductor perfecto, las cargas circularían por él sin ninguna resistencia; por su parte, un aislante perfecto no permitiría que se movieran las cargas por él. No se conoce ninguna sustancia que presente alguno de estos comportamientos extremos a temperatura ambiente. A esta temperatura, los mejores conductores ofrecen una resistencia muy baja (pero no nula) al paso de la corriente y los mejores aislantes ofrecen una resistencia alta (pero no infinita). Sin embargo, la mayoría de los metales pierden toda su resistencia a temperaturas próximas al cero absoluto; este fenómeno se conoce como superconductividad.

Cargas eléctricas

El electroscopio es un instrumento cualitativo empleado para demostrar la presencia de cargas eléctricas. En la figura 1 se muestra el instrumento tal como lo utilizó por primera vez el físico y químico británico Michael Faraday. El electroscopio está compuesto por dos láminas de metal muy finas (a,a_) colgadas de un soporte metálico (b) en el interior de un recipiente de vidrio u otro material no conductor (c). Una esfera (d) recoge las cargas eléctricas del cuerpo cargado que se quiere observar; las cargas, positivas o negativas, pasan a través del soporte metálico y llegan a ambas láminas. Al ser iguales, las cargas se repelen y las láminas se separan. La distancia entre éstas depende de la cantidad de carga.

Pueden utilizarse tres métodos para cargar eléctricamente un objeto: 1) contacto con otro objeto de distinto material (como por ejemplo, ámbar y piel) seguido por separación; 2) contacto con otro cuerpo cargado; 3) inducción.

El efecto de las cargas eléctricas sobre conductores y no conductores se muestra en la figura 2. Un cuerpo cargado negativamente, A, está situado entre un conductor neutro, B, y un no conductor neutro, C. Los electrones libres del conductor son repelidos hacia la zona del conductor alejada de A, mientras que las cargas positivas se ven atraídas hacia la zona próxima. El cuerpo B en su conjunto es atraído hacia A, porque la atracción de las cargas distintas más próximas entre sí es mayor que la repulsión de las cargas iguales más separadas (las fuerzas entre las cargas eléctricas son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia entre las cargas). En el no conductor, C, los electrones no pueden moverse libremente, pero los átomos o moléculas del mismo se reorientan de forma que sus electrones constituyentes estén lo más lejos posible de A; el no conductor también es atraído por A, pero en menor medida que el conductor.

El movimiento de los electrones en el conductor B de la figura 2 y la reorientación de los átomos del no conductor C proporciona a esos cuerpos cargas positivas en los lados más próximos a A y negativas en los lados más distantes de A. Las cargas generadas de esta forma se denominan cargas inducidas.

Medidas eléctricas

El flujo de carga, o intensidad de corriente, que recorre un cable conductor se mide por el número de culombios que pasan en un segundo por una sección determinada del cable. Un culombio por segundo equivale a 1 amperio, unidad de intensidad de corriente eléctrica llamada así en honor al físico francés André Marie Ampère. Véase el siguiente apartado, Corriente eléctrica.

Cuando una carga de 1 culombio se desplaza a través de una diferencia de potencial de 1 voltio, el trabajo realizado equivale a 1 julio, unidad llamada así en honor al físico británico James Prescott Joule. Esta definición facilita la conversión de cantidades mecánicas en eléctricas.

Una unidad de energía muy usada en física atómica es el electronvoltio (eV). Corresponde a la energía adquirida por un electrón acelerado por una diferencia de potencial de 1 voltio. Esta unidad es muy pequeña y muchas veces se multiplica por un millón o mil millones, abreviándose el resultado como 1 MeV o 1 GeV.

Corriente eléctrica

Si dos cuerpos de carga igual y opuesta se conectan por medio de un conductor metálico, por ejemplo un cable, las cargas se neutralizan mutuamente. Esta neutralización se lleva a cabo mediante un flujo de electrones a través del conductor, desde el cuerpo cargado negativamente al cargado positivamente (en ingeniería eléctrica, se considera por convención que la corriente fluye en sentido opuesto, es decir, de la carga positiva a la negativa). En cualquier sistema continuo de conductores, los electrones fluyen desde el punto de menor potencial hasta el punto de mayor potencial. Un sistema de esa clase se denomina circuito eléctrico. La corriente que circula por un circuito se denomina corriente continua (c.c.) si fluye siempre en el mismo sentido y corriente alterna (c.a.) si fluye alternativamente en uno u otro sentido.

El flujo de una corriente continua está determinado por tres magnitudes relacionadas entre sí. La primera es la diferencia de potencial en el circuito, que en ocasiones se denomina fuerza electromotriz (fem), tensión o voltaje. La segunda es la intensidad de corriente. Esta magnitud se mide en amperios; 1 amperio corresponde al paso de unos 6.250.000.000.000.000.000 electrones por segundo por una sección determinada del circuito. La tercera magnitud es la resistencia del circuito. Normalmente, todas las sustancias, tanto conductores como aislantes, ofrecen cierta oposición al flujo de una corriente eléctrica, y esta resistencia limita la corriente. La unidad empleada para cuantificar la resistencia es el ohmio (ð), que se define como la resistencia que limita el flujo de corriente a 1 amperio en un circuito con una fem de 1 voltio. La ley de Ohm, llamada así en honor al físico alemán Georg Simon Ohm, que la descubrió en 1827, permite relacionar la intensidad con la fuerza electromotriz. Se expresa mediante la ecuación ð = I × R, donde ð es la fuerza electromotriz en voltios, I es la intensidad en amperios y R es la resistencia en ohmios. A partir de esta ecuación puede calcularse cualquiera de las tres magnitudes en un circuito dado si se conocen las otras dos. Véase Medidores eléctricos.

Cuando una corriente eléctrica fluye por un cable pueden observarse dos efectos importantes: la temperatura del cable aumenta y un imán o brújula colocado cerca del cable se desvía, apuntando en dirección perpendicular al cable. Al circular la corriente, los electrones que la componen colisionan con los átomos del conductor y ceden energía, que aparece en forma de calor. La cantidad de energía desprendida en un circuito eléctrico se mide en julios. La potencia consumida se mide en vatios; 1 vatio equivale a 1 julio por segundo. La potencia P consumida por un circuito determinado puede calcularse a partir de la expresión P = ð × I, o la que se obtiene al aplicar a ésta la ley de Ohm: P = I2 × R. También se consume potencia en la producción de trabajo mecánico, en la emisión de radiación electromagnética como luz u ondas de radio y en la descomposición química.

Fuentes de fuerza electromotriz

Para producir un flujo de corriente en cualquier circuito eléctrico es necesaria una fuente de fuerza electromotriz. Las fuentes disponibles son las siguientes: 1) máquinas electrostáticas, que se basan en el principio de inducir cargas eléctricas por medios mecánicos; 2) máquinas electromagnéticas, en las que se genera corriente desplazando mecánicamente un conductor a través de un campo o campos magnéticos; 3) células voltaicas, que producen una fuerza electromotriz a través de una acción electroquímica; 4) dispositivos que producen una fuerza electromotriz a través de la acción del calor; 5) dispositivos que generan una fuerza electromotriz por la acción de la luz; 6) dispositivos que producen una fuerza electromotriz a partir de una presión física, como los cristales piezoeléctricos (véase Efecto piezoeléctrico).

Corrientes alternas

Cuando se hace oscilar un conductor en un campo magnético, el flujo de corriente en el conductor cambia de sentido tantas veces como lo hace el movimiento físico del conductor. Varios sistemas de generación de electricidad se basan en este principio, y producen una forma de corriente oscilante llamada corriente alterna. Esta corriente tiene una serie de características ventajosas en comparación con la corriente continua, y suele utilizarse como fuente de energía eléctrica tanto en aplicaciones industriales como en el hogar. La característica práctica más importante de la corriente alterna es que su voltaje puede cambiarse mediante un sencillo dispositivo electromagnético denominado transformador. Cuando una corriente alterna pasa por una bobina de alambre, el campo magnético alrededor de la bobina se intensifica, se anula, se vuelve a intensificar con sentido opuesto y se vuelve a anular. Si se sitúa otra bobina en el campo magnético de la primera bobina, sin estar directamente conectada a ella, el movimiento del campo magnético induce una corriente alterna en la segunda bobina. Si esta segunda bobina tiene un número de espiras mayor que la primera, la tensión inducida en ella será mayor que la tensión de la primera, ya que el campo actúa sobre un número mayor de conductores individuales. Al contrario, si el número de espiras de la segunda bobina es menor, la tensión será más baja que la de la primera.

La acción de un transformador hace posible la transmisión rentable de energía eléctrica a lo largo de grandes distancias. Si se quieren suministrar 200.000 vatios de potencia a una línea eléctrica, puede hacerse con un voltaje de 200.000 voltios y una corriente de 1 amperio o con un voltaje de 2.000 voltios y una corriente de 100 amperios, ya que la potencia es igual al producto de tensión y corriente. La potencia perdida en la línea por calentamiento es igual al cuadrado de la intensidad de la corriente multiplicado por la resistencia. Por ejemplo, si la resistencia de la línea es de 10 ohmios, la pérdida de potencia con 200.000 voltios será de 10 vatios, mientras que con 2.000 voltios será de 100.000 vatios, o sea, la mitad de la potencia disponible. Véase Generación y transporte de electricidad.

En un circuito de corriente alterna, el campo magnético en torno a una bobina varía constantemente, y la bobina obstaculiza continuamente el flujo de corriente en el circuito debido a la autoinducción. La relación entre el voltaje aplicado a una bobina ideal (es decir, sin resistencia) y la intensidad que fluye por dicha bobina es tal que la intensidad es nula cuando el voltaje es máximo, y es máxima cuando el voltaje es nulo. Además, el campo magnético variable induce una diferencia de potencial en la bobina de igual magnitud y sentido opuesto a la diferencia de potencial aplicada. En la práctica, las bobinas siempre presentan resistencia y capacidad además de autoinducción. Véase Inducción (electricidad).

Si en un circuito de corriente alterna se coloca un condensador (también llamado capacitor) la intensidad de corriente es proporcional al tamaño del condensador y a la velocidad de variación del voltaje en el mismo. Por tanto, por un condensador cuya capacidad es de 2 faradios pasará el doble de intensidad que por uno de 1 faradio. En un condensador ideal, el voltaje está totalmente desfasado con la intensidad. Cuando el voltaje es máximo no fluye intensidad, porque la velocidad de cambio de voltaje es nula. La intensidad es máxima cuando el voltaje es nulo, porque en ese punto la velocidad de variación del voltaje es máxima. A través de un condensador circula intensidad —aunque no existe una conexión eléctrica directa entre sus placas— porque el voltaje de una placa induce una carga opuesta en la otra.

De los efectos indicados se deduce que si se aplica un voltaje alterno a una bobina o condensador ideales, no se consume potencia. No obstante, en todos los casos prácticos los circuitos de corriente alterna presentan resistencia además de autoinducción y capacidad, y se consume potencia. Esta potencia consumida depende de la proporción relativa de las tres magnitudes en el circuito.

ENERGÍA MECÁNICA Y TRABAJO

La energía es una propiedad que está relacionada con los cambios o procesos de transformación en la naturaleza. Sin energía ningún proceso físico, químico o biológico sería posible. La forma de energía asociada a las transformaciones de tipo mecánico se denomina energía mecánica y su transferencia de un cuerpo a otro recibe el nombre de trabajo. Ambos conceptos permiten estudiar el movimiento de los cuerpos de forma más sencilla que usando términos de fuerza y constituyen, por ello, elementos clave en la descripción de los sistemas físicos.

El estudio del movimiento atendiendo a las causas que lo originan lo efectúa la dinámica como teoría física relacionando las fuerzas con las características del movimiento, tales como posición y velocidad. Es posible, no obstante, describir la condición de un cuerpo en movimiento introduciendo una nueva magnitud, la energía mecánica, e interpretar sus variaciones mediante el concepto de trabajo físico. Ambos conceptos surgieron históricamente en una etapa avanzada del desarrollo de la dinámica y permiten enfocar su estudio de una forma por lo general más simple.

En el lenguaje ordinario energía es sinónimo de fuerza; en el lenguaje científico, aunque están relacionados entre sí, ambos términos hacen referencia a conceptos diferentes. Algo semejante sucede con el concepto de trabajo, que en el lenguaje científico tiene un significado mucho más preciso que en el lenguaje corriente.

El movimiento, el equilibrio y sus relaciones con las fuerzas y con la energía, define un amplio campo de estudio que se conoce con el nombre de mecánica. La mecánica engloba la cinemática o descripción del movimiento, la estática o estudio del equilibrio y la dinámica o explicación del movimiento. El enfoque en términos de trabajo y energía viene a cerrar, pues, una visión de conjunto de la mecánica como parte fundamental de la física.

LA ENERGÍA

El término energía es probablemente una de las palabras propias de la física que más se nombra en las sociedades industrializadas. La crisis de la energía, el costo de la energía, el aprovechamiento de la energía, son expresiones presentes habitualmente en los diferentes medios de comunicación social. ¿Pero qué es la energía?

¿Qué es la energía?

La noción de energía se introduce en la física para facilitar el estudio de los sistemas materiales. La naturaleza es esencialmente dinámica, es decir, está sujeta a cambios: cambios de posición, cambios de velocidad, cambios de composición o cambios de estado físico, por ejemplo. Pues bien, existe algo que subyace a los cambios materiales y que indefectiblemente los acompaña; ese algo constituye lo que se entiende por energía.

La energía es una propiedad o atributo de todo cuerpo o sistema material en virtud de la cual éstos pueden transformarse modificando su situación o estado, así como actuar sobre otros originando en ellos procesos de transformación. Sin energía, ningún proceso físico, químico o biológico sería posible. Dicho en otros términos, todos los cambios materiales están asociados con una cierta cantidad de energía que se pone en juego, se cede o se recibe.

Las sociedades industrializadas que se caracterizan precisamente por su intensa actividad transformadora de los productos naturales, de las materias primas y de sus derivados, requieren para ello grandes cantidades de energía, por lo que su costo y su disponibilidad constituyen cuestiones esenciales.

Transformación y conservación de la energía

La energía se puede presentar en formas diferentes, es decir, puede estar asociada a cambios materiales de diferente naturaleza. Así, se habla de energía química cuando la transformación afecta a la composición de las sustancias, de energía térmica cuando la transformación está asociada a fenómenos caloríficos, de energía nuclear cuando los cambios afectan a la composición de los núcleos atómicos, de energía luminosa cuando se trata de procesos en los que interviene la luz, etc.

Los cambios que sufren los sistemas materiales llevan asociados, precisamente, transformaciones de una forma de energía en otra. Pero en todas ellas la energía se conserva, es decir, ni se crea ni se destruye en el proceso de transformación. Esta segunda característica de la energía constituye un principio físico muy general fundado en los resultados de la observación y la experimentación científica, que se conoce como principio de conservación de la energía.

Otro modo de interpretarlo es el siguiente: si un sistema físico está aislado de modo que no cede energía ni la toma del exterior, la suma de todas las cantidades correspondientes a sus distintas formas de energía permanece constante. Dentro del sistema pueden darse procesos de transformación, pero siempre la energía ganada por una parte del sistema será cedida por otra. Esto es lo que sucede en el universo, que en su conjunto puede ser considerado como un sistema aislado.

Una descripción matemática de este principio puede efectuarse como sigue: sea S un sistema aislado, el cual tras un proceso de transformación interna pasa a convertirse en S'. Representando por E la energía total del sistema o suma de las cantidades correspondientes a las diferentes formas de energía presentes en él, la conservación de la energía se expresaría en la forma:

E' = E (6.1)

o también:

Energía

es decir, la variación ðE de la energía total E del sistema por efecto de su transformación interna ha sido nula.

Si se considera que el sistema está formado sólo por dos partes o subsistemas 1 y 2, la aplicación del principio de conservación de la energía supondrá ahora:

E'1 + E'2 = E1 + E2

o agrupando términos semejantes:

E'1 - E1 = - (E'2 - E2)

Energía
Energía

lo que expresa que la energía ganada ðE por el subsistema 1 es igual a la perdida, - ðE2, por el subsistema 2 sin que haya habido en conjunto variación alguna en la energía total del sistema.

La degradación de la energía

La experiencia demuestra que conforme la energía va siendo utilizada para promover cambios en la materia va perdiendo capacidad para ser empleada nuevamente. El principio de la conservación de la energía hace referencia a la cantidad, pero no a la calidad de la energía, la cual está relacionada con la posibilidad de ser utilizada. Así, una cantidad de energía concentrada en un sistema material es de mayor calidad que otra igual en magnitud, pero que se halle dispersa.

Aun cuando la cantidad de energía se conserva en un proceso de transformación, su calidad disminuye. Todas las transformaciones energéticas asociadas a cambios materiales, acaban antes o después en energía térmica; ésta es una forma de energía muy repartida entre los distintos componentes de la materia, por lo que su grado de aprovechamiento es peor. Este proceso de pérdida progresiva de calidad se conoce como degradación de la energía y constituye otra de las características de esta magnitud o atributo que han identificado los físicos para facilitar el estudio de los sistemas materiales y de sus transformaciones.

LA ENERGÍA MECÁNICA

De todas las transformaciones o cambios que sufre la materia, los que interesan a la mecánica son los asociados a la posición y/o a la velocidad. Ambas magnitudes definen, en el marco de la dinámica de Newton, el estado mecánico de un cuerpo, de modo que éste puede cambiar porque cambie su posición o porque cambie su velocidad. La forma de energía asociada a los cambios en el estado mecánico de un cuerpo o de una partícula material recibe el nombre de energía mecánica.

Energía potencial

De acuerdo con su definición, la energía mecánica puede presentarse bajo dos formas diferentes según esté asociada a los cambios de posición o a los cambios de velocidad. La forma de energía asociada a los cambios de posición recibe el nombre de energía potencial.

La energía potencial es, por tanto, la energía que posee un cuerpo o sistema en virtud de su posición o de su configuración (conjunto de posiciones). Así, el estado mecánico de una piedra que se eleva a una altura dada no es el mismo que el que tenía a nivel del suelo: ha cambiado su posición. En un muelle que es tensado, las distancias relativas entre sus espiras aumentan. Su configuración ha cambiado por efecto del estiramiento. En uno y otro caso el cuerpo adquiere en el estado final una nueva condición que antes no poseía: si se les deja en libertad, la piedra es capaz de romper un vidrio al chocar contra el suelo y el muelle puede poner en movimiento una bola inicialmente en reposo.

En su nuevo estado ambos cuerpos disponen de una capacidad para procudir cambios en otros. Han adquirido en el proceso correspondiente una cierta cantidad de energía que puede ser liberada tan pronto como se den las condiciones adecuadas.

Energía cinética

La forma de energía asociada a los cambios de velocidad recibe el nombre de energía cinética. Un cuerpo en movimiento es capaz de producir movimiento, esto es, de cambiar la velocidad de otros. La energía cinética es, por tanto, la energía mecánica que posee un cuerpo en virtud de su movimiento o velocidad.

FIN

Vídeos relacionados